JP2021158057A - エキシマランプ、光照射装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 放電スパークの発生が抑制され、信頼性が向上されたエキシマランプを提供する。【解決手段】 紫外光に対して透過性を有する長尺状の発光管と、前記発光管の外壁面に設けられた網目状の第一電極と、前記発光管の前記外壁面に、前記発光管を介し対向するように設けられた網目状の第二電極と、前記発光管の前記第一電極と同じ側の内壁面に形成された反射膜とを備え、前記第一電極の一部には、前記第一電極の網目よりも広い範囲にわたってベタ状に形成されたベタ状電極が設けられている。【選択図】 図2B
Description
本発明は、エキシマランプ、及びエキシマランプを備えた光照射装置に関する。
従来、半導体や液晶パネルの製造や、空気清浄用のオゾンの生成に、紫外光が用いられている。紫外光を出射する光源としては、例えば、下記特許文献1に記載されているようなエキシマランプが利用されている。そして、下記特許文献1には、発光管から放射される紫外光を、効率よく照射対象物に照射するために、発光管の内壁面に反射膜を形成したエキシマランプが開示されている。
近年、半導体や液晶パネルの製造等に用いる産業用の光照射装置として、エキシマランプの高出力化が求められている。そこで、本発明者らは、上記特許文献1に記載の光照射装置に基づいて、エキシマランプの高出力化を検討したところ、以下のような課題が存在することを見出した。以下、図を参照しながら説明する。
図6Aは、従来のエキシマランプ100の構成をY方向に見たときの模式的な図面である。図6Bは、図6Aのエキシマランプ100をX方向に見たときの模式的な図面である。図6A及び図6Bに示すように、発光管101と、発光管101の外壁面101aに対向するように設けられた一対の電極102と、発光管101の内壁面101bに設けられた反射膜103とを備える。
以下の説明においては、図6Aに示すように、エキシマランプ100の発光管101が延伸する方向(管軸方向)をZ方向、電極102が対向する方向をX方向、X方向及びZ方向に直交する方向をY方向とする。そして、方向を表現する際に、正負の向きを区別する場合には、「+Z方向」、「−Z方向」のように、正負の符号を付して記載され、正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「Z方向」と記載される。
発光管101は、紫外光に対して透過性を有する材料(例えば、シリカガラス)で構成されており、内側には発光ガスG1が封入された発光空間101cが形成されている。電極102は、図6Bに示すように、発光管101から放射された紫外光が発光管101の外側に取り出されるように網目状に形成されている。なお、図6Bには、+X側の電極102のみが図示されているが、−X側の電極102は、+X側の電極102と同じ形状である。
エキシマランプ100は、一対の電極102間に電圧を印加することで、発光空間101c内で紫外光が発生し、電極102の網目から外側に向かって紫外光を出射する。出射する紫外光の波長に応じて発光空間101c内に封入される発光ガスG1の種類や組み合わせが選択される。
半導体や液晶パネルの製造等に用いられるような200nm以下の紫外光は、発光管101の材料であるシリカガラスが有するSiとOの結合を切断することができる。したがって、エキシマランプ100を点灯させていると、発光空間101cから放射される紫外光によって、発光管101を構成するシリカガラスの結合が次々と切断されSiとOの結合角が変わる。それにより、歪が生じ、内壁面101bには、Z方向のそれぞれの端部側に向かって引っ張るように応力が発生する。
発光管101の光出射面104側(−X側)の管壁は、エキシマランプ100を点灯させていると、常に発光空間101cから放射される紫外光に晒される。そして、紫外光が届きやすい内壁面101b側ほど上述した構造の変化が起こるため、内壁面101b側には、Z方向のそれぞれの端部側に向かって引っ張るように応力がかかり、バランスを取るように外壁面101aにはZ方向の中央部側に向かって圧縮するように応力がかかる。これにより、+X側に向かって凸となるように変形する。
一方で、発光管101の光出射面104とは反対側(+X側)の管壁は、発光管101から放射される紫外光が、内壁面101bに形成された反射膜103によって光出射面104側に向かうように反射されるため、ほとんど紫外光には曝されない。そのため、+X側の管壁は、−X側の管壁に対して、変形はしない。
図7は、紫外光によって変形したエキシマランプ100をY方向に見たときの図面である。発光管101は、発光空間101cから放射される紫外光によって、上述したような変形が生じ、図7に示すように、−X側壁面の変形に伴って全体が+X側に向かって凸となるように変形する。発光管101が変形してしまうと、位置によって光出射面104と照射領域との距離に差異が生じ、照射ムラができてしまう。なお、図7のエキシマランプ100は、変化がわかりやすいように、実際よりも変形が大きく表現されている。
図8は、エキシマランプ100を装着した従来の光照射装置300の構成を示す模式的な斜視図である。上記特許文献1に記載の従来の光照射装置300は、図8に示すように、発光管101の変形を抑制するために、照射対象物W1と反対側に支持体301が設けられている。
エキシマランプ100は、照射対象物W1や装置周辺で作業する作業者に対して放電が発生しないように、照射対象物W1とは反対側(+X側)の電極に高電圧が印加される。また、エキシマランプ100の電極102は、網目状に構成されているため、導電部分の面積が小さく電界が集中してしまう。そのため、図8に示すように、支持体301の先端部が高電圧側(+X側)の電極102に近接、又は接触すると、支持体301周辺において、強い電界が発生してしまう。
電界強度が電極102と支持体301との間で放電を発生させるために必要な閾値を超えると、支持体301と電極102との間において放電スパークが発生する。特に、上述したような高出力化の要望に応えるべく、電極102に印加する電圧を大きくしていくと、電界強度がより高くなり、放電スパークがより発生しやすくなってしまう。
電極102と支持体301との間で放電スパークが頻繁に発生すると、放電による熱が発生し、支持体301周辺の電極102が溶融や蒸発し、損傷してしまう。放電スパークによって電極102が損傷し、部分的な断線等が生じてしまうと、照射対象物W1に対して紫外光の照射ムラが発生してしまう。したがって、従来のエキシマランプ100を搭載した光照射装置300では、そのまま電極102に印加する電圧を一定値以上まで大きくすると、放電スパークによって電極102の損傷が激しくなり信頼性の問題が発生するという課題があった。
ここで、電界集中を抑制して電界強度を低下させるために、+X側の電極102を全体にわたってベタ状に形成することが考えられる。しかしながら、電極102を全体にわたってベタ状に形成すると、発光管101で発生する放電の頻度が高くなり、放電容器の光出射面側の壁面温度が高くなる。発光管101の壁面温度が高くなると、紫外光に対する透過率が低下してしまうため、照度の低下やワークへの輻射熱が大きくなるといった問題がある。
また、支持体301が近接、又は接触する部分に、電極102を形成しないという構成も考えられる。しかし、当該構成の場合は、電極102が形成されていない部分だけ紫外光が放射されず、照射対象物W1に対して照射される光の照度分布の均一性が低下してしまうため採用し得ない。
さらに、支持体301の先端を絶縁体で形成することも考えられるが、エキシマランプ100に形成された反射膜103は、僅かながらにも、発光空間101cから放射される紫外光を透過してしまう。したがって、支持体301も、エキシマランプ100から出射される紫外光に曝されてしまうため、紫外光が照射されることで、すぐに劣化してしまうような部材は、信頼性の点で問題となる。つまり、絶縁体として用いられるゴム等を設けることが難しく、比誘電率の低いセラミック等の比較的紫外光による影響が少ない材料を用いることになる。
本発明は、上記課題に鑑み、放電スパークの発生が抑制され、信頼性が向上されたエキシマランプを提供することを目的とする。
本発明のエキシマランプは、
紫外光に対して透過性を有する長尺状の発光管と、
前記発光管の外壁面に設けられた網目状の第一電極と、
前記発光管の前記外壁面に、前記発光管を介し対向するように設けられた網目状の第二電極と、
前記発光管の前記第一電極と同じ側の内壁面に形成された反射膜とを備え、
前記第一電極の一部には、前記第一電極の網目よりも広い範囲にわたってベタ状に形成されたベタ状電極が設けられていることを特徴とする。
紫外光に対して透過性を有する長尺状の発光管と、
前記発光管の外壁面に設けられた網目状の第一電極と、
前記発光管の前記外壁面に、前記発光管を介し対向するように設けられた網目状の第二電極と、
前記発光管の前記第一電極と同じ側の内壁面に形成された反射膜とを備え、
前記第一電極の一部には、前記第一電極の網目よりも広い範囲にわたってベタ状に形成されたベタ状電極が設けられていることを特徴とする。
上記構成とすることで、網目状に形成された電極よりも広範囲に広がるように形成されたベタ状電極によって、支持体の先端部との間の電界集中が緩和されて電界強度が低下する。そのため、放電スパークの発生が抑制され、エキシマランプの信頼性を高めることができる。また、上記構成は、ベタ状電極を第一電極の一部に構成されるものであって、全体にわたっては構成されないため、照度の低下やワークへの輻射熱が大きくなるといった問題は発生しない。
なお、ベタ状電極は、網目状の電極に、金属板や導電性のシールを貼り付けて構成されていても構わない。
上記エキシマランプにおいて、
前記ベタ状電極は、前記発光管の管軸方向に関して、前記発光管の中央を跨ぐように設けられていても構わない。
前記ベタ状電極は、前記発光管の管軸方向に関して、前記発光管の中央を跨ぐように設けられていても構わない。
上述したように、発光管は光出射面とは反対側に向かって凸となるように変形する。したがって、発光管は、管軸方向における中央が最も変位する。
上記構成とすることで、発光管の変形を抑制するための支持体を、最も変形しやすい発光管の管軸方向における中央部に配置することができる。そして、支持体と近接、又は接触する部分において、放電スパークが発生することを抑制することができる。
上記エキシマランプにおいて、
前記第一電極と前記ベタ状電極は、同じ材料によって一体的に形成されていても構わない。
前記第一電極と前記ベタ状電極は、同じ材料によって一体的に形成されていても構わない。
上記エキシマランプにおいて、
前記ベタ状電極は、前記ベタ状電極の主面と直交する方向から見たときの形状が、円形状、楕円形状、長円形状、又は角丸四角形状であっても構わない。
前記ベタ状電極は、前記ベタ状電極の主面と直交する方向から見たときの形状が、円形状、楕円形状、長円形状、又は角丸四角形状であっても構わない。
上記構成とすることで、ベタ状電極に角部等の尖った部分が形成されないため、コロナ放電の発生が抑制される。
上記エキシマランプにおいて、
前記発光管は、前記発光管の管軸方向と直交する面で切断した時の断面形状が矩形状であっても構わない。
前記発光管は、前記発光管の管軸方向と直交する面で切断した時の断面形状が矩形状であっても構わない。
さらに、上記エキシマランプは、
前記第一電極が設けられた前記外壁面の前記管軸方向とは直交する方向において、前記ベタ状電極の長さが前記発光管の長さの半分以下であっても構わない。
前記第一電極が設けられた前記外壁面の前記管軸方向とは直交する方向において、前記ベタ状電極の長さが前記発光管の長さの半分以下であっても構わない。
発光管の外壁面の管軸方向とは直交する方向の全域にベタ状電極を形成してしまうと照度が著しく低下してしまう。そこで、上記構成とすることで、照度の悪化を抑制しつつ、放電スパークの発生を抑制することができる。
本発明の光照射装置は、
上記エキシマランプと、
前記ベタ状電極に近づくように突出し、先端部が前記ベタ状電極と近接、又は接触するように配置された支持体とを備えることを特徴とする。
上記エキシマランプと、
前記ベタ状電極に近づくように突出し、先端部が前記ベタ状電極と近接、又は接触するように配置された支持体とを備えることを特徴とする。
上記光照射装置において、
前記支持体の前記先端部は、前記ベタ状電極と接触した状態で、前記発光管の管軸方向に移動可能となるようにローラが設けられていても構わない。
前記支持体の前記先端部は、前記ベタ状電極と接触した状態で、前記発光管の管軸方向に移動可能となるようにローラが設けられていても構わない。
上記構成とすることで、発光管の変形を抑制しつつ、放電スパークの発生を抑制することができる。また、支持体は、紫外光によって発光管がローラに接触するまで変形し、さらに、紫外光が照射されて発光管が変形しようとした場合に、発光管の表面、及び第一電極と擦れることなく管軸方向に変位することができる。したがって、発光管の表面が傷つくことや、第一電極が剥離してしまうことを防止することができる。
本発明によれば、放電スパークの発生が抑制され、信頼性が向上されたエキシマランプが実現される。
以下、本発明のエキシマランプ及び光照射装置について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図面は、いずれも模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比や個数は、実際の寸法比や個数と必ずしも一致していない。
図1Aは、光照射装置1の一実施形態を模式的に示す斜視図であり、図1Bは、図1Aの光照射装置1の側面図である。図1A及び図1Bに示すように、本実施形態の光照射装置1は、エキシマランプ2と、支持体3と、照射対象物W1を載置する搬送機構4とを備える。図1Cは、図1Aの光照射装置1とは異なる一実施形態を模式的に示す側面図である。
まず、エキシマランプ2の構成について説明する。図2Aは、エキシマランプ2の一実施形態をY方向に見たときの模式的な図面である。図2Bは、図2Aのエキシマランプ2を+X側から見たときの模式的な図面であり、図2Cは、図2Aのエキシマランプ2を−X側から見たときの模式的な図面である。図2A〜図2Cに示すように、エキシマランプ2は、発光管10と、第一電極11と、第一電極11と対向するように形成された第二電極12と、反射膜13とを備える。
以下の説明においては、図2Aに示すように、エキシマランプ2が延伸する方向(管軸方向)をZ方向、第一電極11と第二電極12とが対向する方向をX方向、X方向及びZ方向に直交する方向をY方向とする。そして、方向を表現する際に、正負の向きを区別する場合には、「+Z方向」、「−Z方向」のように、正負の符号を付して記載され、正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「Z方向」と記載される。
発光管10は、紫外光に対して透過性を有する材料(例えば、シリカガラス)で形成されており、図2Aに示すように、長尺状で内側に発光ガスG1が封入される発光空間10cが設けられている。発光空間10c内で発生した紫外光は、発光管10の壁面を通して光出射面14から出射される。
図3は、図2Aのエキシマランプ2をZ方向に見たときの断面図である。図3に示すように、本実施形態の発光管10は、XY平面で切断したときの断面が、矩形状を呈するように形成されているが、発光管10の断面形状は、円形状や楕円形状等でもよく、六角形や八角形等の他の多角形状であっても構わない。
図2Dは、図2Bのベタ状電極11a周辺の拡大図面である。図2Bに示すように、第一電極11は、発光管10の外壁面10aに網目状に形成されている。また、図2B及び図2Dに示すように、第一電極11の一部において、発光管10の中央C1を跨ぐように、網目よりも広範囲にわたってベタ状電極11aが形成されている。
また、ベタ状電極11aは、図2Dに示すように、主面と直交する方向、すなわち、+X側から見たときの形状が角丸四角形状であって、Y方向における長さY1が、発光管10のY方向における長さY2の半分以下となるように形成されている。
第二電極12は、図2Cが示すように、発光管10の外壁面10aに網目状に形成されており、発光管10の発光空間10c内で発生した紫外光が、網目を通過して発光管10の外側に出射される。つまり、発光管10の第二電極12が形成されている側の壁面が光出射面14となる。
本実施形態において、第一電極11とベタ状電極11aは、発光管10の外壁面上にスクリーン印刷によって一体的に形成されているが、例えば、第一電極11がスクリーン印刷によって形成され、ベタ状電極11aは、形成されている第一電極11に対して、金属板や導電性シートを貼り付けて形成されていても構わない。
また、本実施形態は、第一電極11と第二電極12は、同じ材料で、いずれも導電性の金属ペーストをスクリーン印刷によって印刷し、焼成させることで形成されているが、第一電極11と第二電極12は、異なる材料で、異なる方法によって形成されていてもよく、例えば、第一電極11だけを金属板で形成しても構わない。なお、それぞれの電極(11,12)及びベタ状電極11aの材料は、例えば、金や銀、白金等を採用し得る。
図2Eは、ベタ状電極11aが複数形成されたエキシマランプ2を+X側から見たときの模式的な図面である。図2Eに示すように、ベタ状電極11aは、一つのエキシマランプ2に複数形成されていても構わない。
反射膜13は、発光管10の第一電極11と同じ側の内壁面10bに形成されており、発光空間10c内で発生し、第一電極11側(+X側)に向かって進行する紫外光を、光出射面14側である第二電極12側(−X側)に向かうように反射する。
反射膜13の構成材料は、例えば、粒子状のシリカ(SiO2)、アルミナ(Al2O3)等が含まれる懸濁液等を塗布し、焼成することで形成されたものを採用し得る。
なお、図2A及び図3に示すように、本実施形態の第一電極11、第二電極12及び反射膜13は、Y方向及びZ方向において同じ長さで形成されているが、それぞれ異なる長さで形成されていても構わない。
上記構成のエキシマランプ2は、図1Bに示すように、第二電極12が照射対象物W1側に向くように、光照射装置1に装着される。
光照射装置1の支持体3は、第一電極11に設けられたベタ状電極11aに近づくように突出するように構成されている。図4は、図1Bの光照射装置1の支持体3周辺の拡大図である。図4に示すように、支持体3は、先端部にローラ3aが設けられており、ローラ3aがベタ状電極11aと近接するように配置されている。なお、ここでいう近接とは、ローラ3aとベタ状電極11aの離間距離が2mm以下の範囲をいう。
上記構成とすることで、支持体3とベタ状電極11aとの間で発生する電界は、支持体3と導電部分が狭い第一電極11との間の電界よりも広範囲に分散される。つまり、電界集中が緩和されるため、電極(11,12)間に同じ電圧が印加されている場合、支持体3とベタ状電極11aとの間の電界強度は、支持体3と第一電極11との間の電界強度よりも低くなる。したがって、光照射装置1は、放電スパークの発生が発生しにくくなり、信頼性が向上される。
また、上述したように、支持体3は、紫外光によって発光管10がローラ3aに接触するまで変形し、さらに、紫外光が照射されて発光管10が変形しようとした場合に、発光管10の表面、及び第一電極11と擦れることなくZ方向に変位することができる。そのため、発光管10の外壁面10aが傷つくことや、第一電極11が剥離してしまうことを防止することができる。
本実施形態のエキシマランプ2において、ベタ状電極11aは、発光管10のZ方向における中央C1を跨がない構成でもよく、発光管10のZ方向における端部側に形成されていても構わないが、発光管10の端部から少なくとも70mm以上離れていることが好ましい。エキシマランプ2の大きさや、印加電圧によって多少異なるが、端部に近づき過ぎると、局所的に発光管10の壁面温度が低い箇所が存在する場合があり、当該箇所にベタ状電極11aを形成すると、異常放電が起きやすくなってしまう。
また、本実施形態のベタ状電極11aは、+X側から見たときの形状が角丸四角形状を呈しているが、円形状、楕円形状、又は長円形状であっても構わない。
さらに、本実施形態のベタ状電極11aは、Y方向における長さが、発光管10のY方向における長さの半分以下となるように形成されているが、発光管10のY方向における長さの半分以上の長さにわたって形成されていても構わない。
本実施形態の光照射装置1において、支持体3の先端部に設けられたローラ3aは、エキシマランプ2のベタ状電極11aと近接するように配置されているが、接触するように配置されていても構わない。また、支持体3は、ローラ3aを備えない構成であっても構わない。
本実施形態の光照射装置1において、支持体3は、一つの光照射装置1において、複数の支持体3が設けられていてもよく、図1Cに示すように、ローラ3aが設けられた先端部が二股、又は三股以上になっていても構わない。これらの構成を採用する場合、エキシマランプ2の壁面(第一電極11)は、発光管10が歪むことでローラ3aと複数箇所で接触することになる。そこで、例えば、第一電極11は、接触箇所全部が含まれるように広範囲にわたってベタ状電極11aが形成されていてもよく、図2Eに示すように、複数のベタ状電極11aが形成されていても構わない。
[別実施形態]
以下、別実施形態につき説明する。
以下、別実施形態につき説明する。
〈1〉 図5は、エキシマランプ2の別実施形態を+X側から見たときの模式的な図面である。図5に示すように、ベタ状電極11aは、第一電極11の網目を埋めるようにして形成されていても構わない。
〈2〉 支持体3の先端部は、Z方向だけでなく、YZ平面のいずれの方向にも変位可能となるように、ローラ3aの代わりにボール部材を備えていても構わない。上記構成とすることで、支持体3と発光管10の外壁面10a、又は第一電極11がZ方向以外の方向に擦れた場合でも、傷や剥離を防止することができる。
〈3〉 上述した光照射装置1及びエキシマランプ2が備える構成は、あくまで一例であり、本発明は、図示された各構成に限定されない。
1 : 光照射装置
2 : エキシマランプ
3 : 支持体
3a : ローラ
4 : 搬送機構
10 : 発光管
10a : 外壁面
10b : 内壁面
10c : 発光空間
11 : 第一電極
11a : ベタ状電極
12 : 第二電極
13 : 反射膜
14 : 光出射面
100 : エキシマランプ
101 : 発光管
101a : 外壁面
101b : 内壁面
101c : 発光空間
102 : 電極
103 : 反射膜
104 : 光出射面
300 : 光照射装置
301 : 支持体
C1 : 中央
G1 : 発光ガス
W1 : 照射対象物
2 : エキシマランプ
3 : 支持体
3a : ローラ
4 : 搬送機構
10 : 発光管
10a : 外壁面
10b : 内壁面
10c : 発光空間
11 : 第一電極
11a : ベタ状電極
12 : 第二電極
13 : 反射膜
14 : 光出射面
100 : エキシマランプ
101 : 発光管
101a : 外壁面
101b : 内壁面
101c : 発光空間
102 : 電極
103 : 反射膜
104 : 光出射面
300 : 光照射装置
301 : 支持体
C1 : 中央
G1 : 発光ガス
W1 : 照射対象物
Claims (8)
- 紫外光に対して透過性を有する長尺状の発光管と、
前記発光管の外壁面に設けられた網目状の第一電極と、
前記発光管の前記外壁面に、前記発光管を介し対向するように設けられた網目状の第二電極と、
前記発光管の前記第一電極と同じ側の内壁面に形成された反射膜とを備え、
前記第一電極の一部には、前記第一電極の網目よりも広い範囲にわたってベタ状に形成されたベタ状電極が設けられていることを特徴とするエキシマランプ。 - 前記ベタ状電極は、前記発光管の管軸方向に関して、前記発光管の中央を跨ぐように設けられていることを特徴とする請求項1に記載のエキシマランプ。
- 前記第一電極と前記ベタ状電極は、同じ材料によって一体的に形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のエキシマランプ。
- 前記ベタ状電極は、前記ベタ状電極の主面と直交する方向から見たときの形状が、円形状、楕円形状、長円形状、又は角丸四角形状であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のエキシマランプ。
- 前記発光管は、前記発光管の管軸方向と直交する面で切断した時の断面形状が矩形状であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のエキシマランプ。
- 前記第一電極が設けられた前記外壁面の前記管軸方向とは直交する方向において、前記ベタ状電極の長さが前記発光管の長さの半分以下であることを特徴とする請求項5に記載のエキシマランプ。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載のエキシマランプと、
前記ベタ状電極に近づくように突出し、先端部が前記ベタ状電極と近接、又は接触するように配置された支持体とを備えることを特徴とする光照射装置。 - 前記支持体の前記先端部は、前記ベタ状電極と接触した状態で、前記発光管の管軸方向に移動可能となるようにローラが設けられていることを特徴とする請求項7に記載の光照射装置。
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